复杂地质条件下浅埋大断面隧道开挖台阶参数优化数值模拟研究.pdf

福建建设科技 施工技术复杂地质条件下浅埋大断面隧道开挖台阶参数优化数值模拟研究邵顺安(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省建筑工程质量检测中心有限公司 福建福州)摘 要 本研究以某典型的软弱围岩隧道为工程依托在隧道穿越软弱复杂地质环境出现塌方灾害时通过建立数值模型和现场试验的方式研究了不同台阶工法开挖穿越上软下硬地层时的隧道变形行为和结构力学特性 研究表明隧道上台阶核心岩体开挖后拱顶、拱肩及拱腰位置处的沉降变形大约占最终稳定值的 中台阶左侧岩体开挖之后上述三位置处的围岩变形大约占总体的 隧道最大沉降变形的产生主要是由于上台阶环形部分围岩以及中台阶左侧部分围岩的非对称开挖引起的当隧道所穿越地层为上部较为松散的塌方围岩段和下部岩体较为坚硬的基岩段在上台阶部分开挖扰动后由于隧道开挖部分围岩分空间分布的不连续性岩体上“软”层和下“硬”层的变形存在时空差异导致隧道拱顶沉降迅速增加关键词 隧道工程分部开挖参数优化上软下硬数值模拟 :作者简介:邵顺安(.)男硕士高级工程师研究方向:桥梁与隧道工程 引言隧道开挖经常面临复杂的工程地质环境 鉴于具体的地质条件选择合适的开挖方法是确保隧道施工安全的前提 在山区隧道工程中由于地质条件的限制隧道所穿越地层常常为碎裂带和坚硬岩石夹杂的上软下硬地层 当隧道开挖穿越浅埋段上软下硬地层时由于隧道上方和下方地层的岩性工程特性和力学特性差异很大隧道支护结构和围岩的安全将受到极大威胁 隧道穿越上软下硬地层过程中岩层分布的不均匀性导致施工过程中隧道围岩应力不均匀释放使得支护结构存在较多应力集中及受力不安全部位极易导致支护结构局部发生挠曲变形在松散软弱岩体较大的外部荷载作用下隧道围岩和支护结构整体极易发生垮塌陷落国内外对隧道施工和开挖过程中围岩应力和变形的研究较多但对“上软下硬”易塌方地层隧道工程的研究较少因此开挖方法的选取及合理的分部开挖顺序对于隧道施工过程中的结构稳定和安全至关重要 张文涛等人研究了隧道穿越浅埋上软下硬地层时的地表沉降响应对上覆建筑物的安全性能进行了综合评估 肖红菊研究了穿越土壤 岩石界面层的盾构隧道的结构变形和结构状态响应特性结果表明隧道穿越上软下硬地层会导致急剧的隧道结构响应 王丙坤依托大断面破碎围岩隧道通过数值模拟的方法研究了隧道不同开挖工法穿越上软下硬地层时的结构状态响应和结构应力响应研究发现开挖分部较多的 法能有效地控制隧道结构稳定目前研究表明隧道穿越上软下硬地层时隧道结构整体响应剧烈在施工过程中应尽可能地减少对于隧道结构的扰动目前的研究主要是基于全断面或者以分部较少的开挖方法穿越上软下硬地层展开的对于隧道三台阶七步法开挖穿越上软下硬地层的研究结果较少且很少有关于开挖过程中三台阶七步法开挖顺序的选择以及应力和变形随时间变化规律的研究 在大多数这些研究中上覆“软”层主要是软岩的岩土层很少有关于上部软弱塌方体的研究 然而由于工程地质的特殊性在实践中软弱塌方体的存在使得隧道支护结构局部承受着较大的松散荷载从而导致结构出现局施工技术福建建设科技 部应力集中这对于结构的整体稳定是极其不利的 此外在这种地质条件下围岩应力和应变随时间的变化规律将对隧道施工及其后续运营的安全产生重要影响 隧道穿越塌方敏感区“上软下硬”地层时的塌方灾害整治和合适的开挖工法选择对于维持隧道结构整体的安全稳定至关重要本研究以某典型的软弱围岩隧道为工程依托提出了隧道穿越软弱复杂地质环境时隧道塌方灾害处治方法和措施在此基础上通过建立数值模型和现场试验的方式研究了不同台阶工法开挖穿越上软下硬地层时的隧道变形行为和结构力学特性以此为隧道施工穿越上软下硬塌方敏感区的工程建设提供一定的借鉴 工程概况及塌方处治 工程概述该隧道工程在大地构造单元上属褶皱带隧址区地表水较发育围岩岩性为强风化花岗岩夹杂高岭土华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩、断层角(泥)砾 洞身段位于弱风化 微风化岩体中岩体破碎 较完整 隧道洞身段均位于地下水位以下地下水分布主要受构造、节理、裂隙的发育和分布情况控制主要表现为基岩裂隙水及构造裂隙水水量较丰富受大气降水补给 隧道围岩原生层理、浅层风化节理、裂隙较发育次生构造节理裂隙总体不发育节理、裂隙的充填性较好 隧道穿越段中的断裂构造纵横交错裂隙发育同时原生层理也发育各种成因的节理、裂隙相互切割成网络状构造作用强烈 塌方灾害处治隧道原采用 施工当开挖至刀盘前方及护盾右侧时出现大面积的坍塌形成了一个纵向长度约、宽约、最大高度为、与线路约成 夹角的塌方根据现场裸露出的围岩分析判断:此坍塌段围岩为花岗岩呈灰白色、肉红色、灰绿色受构造影响强烈节理裂隙很发育节理面多分布有擦痕为节理密集带 节理裂隙多为宽张及微张节理面呈灰白色及灰绿色有高岭土、绿泥石充填物 岩体破碎呈碎石、块石状结构 在拱部裂隙水呈线状滴落 该段在掘进时由于围岩自稳性较差受掘进扰动引起局部失稳开始坍塌形成塌方 塌腔示意图如图 所示图 塌方示意图塌方事件发生后根据地质超前预报 探测结果显示在塌方段前方还有 长围岩段其围岩情况与塌方段围岩一样破碎、自稳性差 该段围岩强度与掌子面基本一致岩体破碎节理裂隙发育地下水较发育以渗水和滴水为主 根据 机械特性在这种非封闭的半虚碴、半基岩的断面下 推进易产生偏压对 主轴承造成较大损伤不利于以后 掘进且可能在掘进时引起再次坍塌造成再次卡死刀盘故对此坍塌体不宜采用 掘进为稳妥起见此塌方段决定采用台阶法结合人工钻爆施工 首先对塌方进行锚网喷加固处理稳定塌方防止其继续扩大同时架设钢护拱、过河撑等措施进一步加固围岩为塌方处理作业人员创造较为安全的作业环境然后注浆固结坍体 塌方段工程处治如图 所示图 隧道塌方段工程处治该开挖段隧道施工塌方灾害的发生主要是因为之前的全断面 施工过程中围岩自稳能力差难以一次支护稳定 坍塌体在固结稳定后即开始进行坍塌体开挖处理工作为防止在坍塌体处理中围岩再次出现坍塌采用台阶分部开挖且分部支护的方法进行开挖 从隧道超前地质预报结果可得隧道在后续开挖过程中围岩垮塌风险急剧增加由于上部坍塌风险区的存在隧道所穿越地层属于典型的上软下硬地层在穿越该风险区过程中合理的分部开挖顺序和支护顺序对于隧道支护结构整体的安全稳定至关重要因此在后续隧道台阶法施工过程中应对三台阶七步开挖法的分部开挖顺序进行重点分析以此对隧道灾害风险进行有效控制 数值分析研究为了分析隧道分部开挖不同开挖顺序下围岩的应力和变形特征根据新奥法的施工原理本研究对不同开挖顺序下的三台阶七步法开挖和全断面法开挖的隧道结构稳定性进行计算分析 为了分析上述不同台阶方法的适用性选择了 数值分析软件进行数值分析 数值模型分析根据断面尺寸、支护参数和地层分布建立了二维平面模型根据圣维南原理模型左右边界应各取 倍开挖跨径下边界取 倍开挖高度 由隧道设计参数可知隧道截面高度 开挖跨度 根据隧道的实际情况隧道顶部边界距隧道开挖轮廓 隧道围岩及支护结构参数如表 所示表 隧道围岩及支护结构参数材料类别自重/(/)弹性模量/()泊松比/内摩擦角/()黏聚力/()围岩 组合支护结构 /锚杆 /围岩的材料为二维平面单元本构模型为莫尔 库仑模型初期支护结构中的喷射混凝土和钢架结构进行等效计算通过实体单元模拟锚杆结构采用 单元而本构模型则为线性弹性模型 两种不同的三台阶七步法开挖顺序数值计算模型如图 所示 福建建设科技 施工技术()三台阶七步法正序开挖()三台阶七步法错序开挖图 不同台阶法开挖顺序数值计算模型 计算结果分析数值模型计算完成后将三个不同开挖工法引起的隧道围岩垂直位移结果进行提取三台阶七步法正序开挖位移特征如图 所示三台阶七步法错序开挖位移特征如图 所示全断面法开挖位移特征如图 所示图 三台阶七步正序开挖位移图 三台阶七步错序开挖位移图 全断面开挖位移由上述三种工法的隧道竖向位移沉降可得对于同样的围岩地质条件和支护结构参数当隧道采用三台阶七步正序法进行开挖时隧道整体竖向位移是最小的拱顶部位沉降为 当隧道采用全断面法开挖时其各部位的位移相对而言整体较大拱顶最大沉降达到了 同时隧道各处位移分配极不均匀在拱顶较小的范围内出现了变形较为集中的部位 对于三台阶七步法开挖而言正序施工时候围岩的整体竖向位移较错序开挖要小两种工法下围岩的整体位移分布规律较为一致 综合分析可得当隧道全断面进行开挖时由于一次开挖断面较大围岩处于临空状态的松散荷载较大因此在隧道开挖完成后结构整体出现了较大程度的竖向变形且可以发现隧道拱顶存在变形集中部位但是三台阶七步法开挖后隧道整体变形分布较为均匀这主要是三台阶七步法施工属于分部开挖在开挖逐步的卸荷过程中围岩应力缓慢释放因此结构整体变形较为均匀结构各部位的变形协调增长而全断面法开挖隧道围岩受扰动程度大在快速发展的围岩应力状态调整过程中隧道结构会出现局部的变形和应力集中状态 三台阶七步法正序开挖各开挖部围岩变形演化规律如图 所示图 三台阶七步法正序分部围岩变形演化规律由图 可得隧道三台阶七步法正序开挖过程中当上台阶核心土开挖后拱部围岩迅速产生竖向变形此时隧道上台阶部分的围岩变形分布较为均匀当隧道中台阶左侧围岩开挖以后可以发现隧道整体变形出现非对称增加隧道左侧围岩变形整体较右侧大隧道核心土及各部分的围岩也呈现出非对称的分布特性 当隧道中台阶右侧土体开挖以后隧道围岩整体变形对称分布且与围岩最终的分布形态基本一致 在下台阶左侧和右侧围岩开挖过程中当隧道非对称开挖时隧道整体的变形分布较为均匀由此可得隧道三台阶七步法开挖过程中上台阶部分的非对称开挖会导致围岩变形呈现出非连续的时空演化分布特性而下台阶及核心土的开挖对于隧道整体的围岩稳定影响较小 由此可得隧道上台阶开挖过程中隧道结构整体存在明显的偏压状态因此此时应格外注意隧道局部塌方灾害的发生 三台阶七步法分部开挖过程中隧道各位置的竖向变形如图 所示施工技术福建建设科技 图 三台阶七步法开挖隧道各位置竖向变形由图 可得隧道开挖完成后拱顶、拱肩及拱腰三位置处的围岩变形是整个结构中最大的仰拱部分在隧道开挖完成后会产生部分的隆起隧道变形呈现出“蝴蝶型”的分布特性 隧道上台阶核心岩体开挖后拱顶、拱肩及拱腰位置处的沉降变形迅速发展大约占最终稳定值的 在中台阶左侧岩体开挖之后上述三位置处的围岩变形快速增加大约占总体的 在后续开挖阶段隧道上部各部分的围岩变形缓慢增加 由此可得隧道最大沉降变形的产生主要是由于上台阶环形部分围岩以及中台阶左侧部分围岩的非对称开挖引起的在施工过程中应加强防护 三个不同开挖工法下隧道支护结构的应力分布分别如图 图 所示 仰拱、左拱肩、左拱腰、左拱脚、左边墙、仰拱左和仰拱处的应力分布对比分析如图 所示图 三台阶七步正序开挖支护应力图 三台阶七步错序开挖支护应力图 隧道全断面开挖支护应力图 不同工法下支护结构各位置结构应力比较由图 图 可得各开挖工法下隧道支护结构整体表现出结构下部应力大而上部应力小的变形特性结构应力整体分布不均这表明隧道开挖过程中支护结构整体并不是整体式沉降而是挤压式的沉降演化特性即上部结构整体向下部挤压变形由此可得隧道仰拱的及时封闭对于支护结构整体安全稳定至关重要 与全断面法开挖相比隧道采用三台阶七步法开挖时结构整体应力较小且整体分布较为均匀结构整体应力分布表现出上部大而下部小的分布特性隧道应力最大的部位集中在拱顶仰拱处的结构应力整体较小这主要是隧道三台阶七步分部开挖过程中隧道上部开挖时围岩荷载得到了充分的释放在上部支护结构施作后围岩和支护相互作用导致围岩变形逐渐趋于稳定围岩的松散荷载主要由上台阶处的支护结构承担因此上部支护结构应力较大当隧道下台阶开挖且施作支护结构以后围岩应力调整较小因此隧道下部结构承担的荷载较小结构整体应力较小 现场试验分析综合前述隧道不同施工方法下的结构变形和受力特性及隧道塌方段的围岩地质条件和开挖难度综合本次隧道塌方段综合采用三台阶七步法正序进行开挖为了确保隧道施工过程中的结构稳定和安全在隧道 超前地质预报预测的危险开挖段进行了现场试验分别在隧道拱顶和拱肩布置沉降和应力监测点测试隧道拱部沉降和支护结构的应力结合现场监测和数值分析的结果对隧道开挖过程中的应力和变形机理进行了综合分析 隧道拱部沉降变化规律如图 所示隧道支护结构拱部应力演化如图 所示图 隧道拱顶沉降发展规律由图 可得随着隧道施工的逐渐进行初期支护结构钢架拱顶和拱肩处的沉降变形在隧道上台阶开挖后迅速发展在短时间内即达到沉降峰值在后期钢架的沉降变形发展 福建建设科技 施工技术缓慢 同时可以发现与钢架拱肩处的沉降相比拱顶处的沉降变形发展速度更快沉降值更大这表明隧道支护结构并非整体沉降而是由拱顶开始的挤压式变形特性表明隧道支护结构的拱顶位置属于变形敏感区在隧道施工过程中应注意此位置处的塌方变形同时由三台阶七步法正序引起的沉降来看隧道变形主要发生在前期其主要位于局部位置支护结构下部的整体变形特性较为舒缓因此该方法的沉降敏感区较少结构整体稳定性控制难度较低 隧道所穿越地层为上部较为松散的塌方围岩段和下部岩体较为坚硬的基岩段为典型的上“软”下“硬”围岩环境在隧道开挖前上部和下部两种地层均未发生扰动结构整体处于稳定的变形协调状态和一次应力状态在上台阶部分开挖扰动后由于隧道开挖部分围岩分空间分布的不连续性岩体上“软”层和下“硬”层的变形存在时空差异因此导致隧道拱顶沉降迅速增加随着开挖的逐渐进行上软下硬的两层在界面处的变形和应力调整继续进行最终两者变形协调一致隧道结构整体趋于稳定图 隧道支护结构应力发展规律由图 可得随着隧道施工的逐渐进行初期支护结构钢架拱顶和拱肩处的应力在隧道上台阶开挖后迅速发展在短时间内即达到沉降峰值在后期钢架的应力发展缓慢 同时可以发现与钢架拱肩处的沉降相比拱顶处的结构应力发展速度更快应力值更大这表明隧道支护结构拱顶部位存在明显的应力集中现象在隧道施工过程中应注意此位置处的塌方变形同时由三台阶七步法正序引起的应力来看隧道支护结构的应力主要发生在开挖前期其主要位于局部位置支护结构下部的应力状态较为舒缓 隧道所穿越地层为上部较为松散的塌方围岩段和下部岩体较为坚硬的基岩段为典型的上“软”下“硬”围岩环境在隧道开挖前上部和下部两种地层均未发生扰动围岩在各个方向的应力都处于平衡和稳定状态在上台阶部分开挖扰动后由于隧道开挖部分围岩分空间分布的不连续性岩体上部“软”层和“硬”层的应力向隧道内部释放围岩整体迅速发生应力状态重分布因此隧道支护结构各部位在与围岩发生相互作用后也发生急剧的状态响应结构应力迅速增加在后期随着各部分围岩之间的应力调整达到了新的平衡因此支护结构的应力逐渐趋于平缓 结论本研究以某典型的软弱围岩隧道为工程依托在隧道穿越软弱复杂地质环境出现塌方时通过建立数值模型和现场试验的方式研究了不同台阶工法开挖穿越上软下硬地层时的隧道变形行为和结构力学特性主要研究结论如下:()隧道通过全断面法开挖完成后围岩受扰动程度大结构整体出现了较大程度的竖向变形且可以发现隧道拱顶存在变形集中部位 而三台阶七步法正序开挖结构变形分布较为均匀在开挖逐步的卸荷过程中围岩应力缓慢释放结构各部位的变形协调增长()隧道三台阶七步法开挖过程中上台阶部分的非对称开挖会导致围岩变形呈现出非连续的时空演化分布特性而下台阶及核心土的开挖对于隧道整体的围岩稳定影响较小 隧道上台阶开挖过程中隧道结构整体存在明显的偏压状态因此此时应格外注意隧道局部塌方灾害的发生()隧道三台阶七步法正序开挖完成后拱顶、拱肩及拱腰三位置处的围岩变形是整个结构中最大的仰拱部分在隧道开挖完成后会产生部分的隆起隧道变形呈现出“蝴蝶型”的分布特性 隧道上台阶核心岩体开挖后拱顶、拱肩及拱腰位置处的沉降变形迅速发展大约占最终稳定值的 在中台阶左侧岩体开挖之后上述三位置处的围岩变形快速增加大约占总体的 隧道最大沉降变形的产生主要是由于上台阶环形部分围岩以及中台阶左侧部分围岩的非对称开挖引起的()隧道所穿越地层为上部较为松散的塌方围岩段和下部岩体较为坚硬的基岩段在隧道开挖前上部和下部两种地层均未发生扰动结构整体处于稳定的变形协调状态和一次应力状态在上台阶部分开挖扰动后由于隧道开挖部分围岩分空间分布的不连续性岩体上“软”层和下“硬”层的变形存在时空差异导致隧道拱顶沉降迅速增加参考文献.().().().张文涛肖钢普恒罗朋管少祥王树英.上软下硬地层浅埋暗挖隧洞侧穿建筑物沉降控制技术研究.水利水电技术(中英文):.肖红菊孙玉永.上软下硬复合地层中盾构隧道开挖面稳定性分析.中国铁道科学():.王丙坤朱永学朱志仁刘英卢素明张向军.上软下硬岩体大断面隧道施工工法优化研究.铁道建筑技术():.赵利军罗晋明.城市地铁上软下硬地层级围岩浅埋大断面隧道开挖方案优化研究.铁道建筑技术():.刘鹏王冲.青岛地铁上软下硬岩层区间隧道断面设计优化.城市轨道交通研究():.刘家奇李文杰张浩梁斌.玉磨铁路软岩浅埋隧道冒顶机理分析及防治措施.河南大学学报(自然科学版)():.